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电压检测记录仪论文
摘要
发电、供电系统、及其管理部门,需要掌握电网的电力情况,以保证整个电网的正常运行。
这就需要在各个主要位置安装电压监测系统,不仅要实时监测,多个回路同时监测,还要对电压变化进行实时记录,从而总结规律,找出应对措施。
电压监测记录仪,就是为此功能而设计的。
它不仅能实时测量显示当前的电压,还能将电压变化情况记录下来,并能记录电压的最高与最低时刻,以及记录何时发生断电,以及断电时间等。
并可通过串行总线上传给上位机,进行分析统计。
本文介绍了采用AT89C52RC单片机为核心,经过互感器将交流高压转换成低压,并通过RMS转换器将交流转换为直流,经过信号放大后,由模数转换器(AD)转换后,将信息采集传给主控模块。
采用模数转换控制技术对电压进行监控并记录。
通过预先设定的电压范围进行比较,若超出预设范围,则报警并记录。
本论文着重介绍该系统的硬件设计方案,包括主控模块、检测模块、显示模块、存储模块、时钟模块、电源模块;软件设计包括超限报警子程序、液晶显示子程序、信号处理子程序、键盘扫描及按键处理子程序、主程序设计。
关键词:
单片机有效值模数转换智能控制
Abstract
Power,powersupplysystem,andtheirmanagementdepartment,needtomasterthepowerinformationfromthegrid,toguaranteethenormaloperationofthepowergrid.Thisneedtobeinallthemainpositioninstallationvoltagemonitoringsystem,notonlytoreal-timemonitoring,multipleloopmonitoring,butalsotorecordthevoltagechangesintime,thussummingrules,findsoutthecountermeasures.Voltagemonitoringdatarecorder,isdesignedforit.Itcannotonlymeasuresandshowthecurrentvoltageinrealtime,butalsobeabletorecordthechangesvoltage,andtorecordthevoltageofthelowestandhighestmoments,andkeepingtrackofwhenhappenpoweroutage,andthedateofthepoweroutage.Andthroughtheserialbusuploadtouppercomputer,tomakestatisticalanalysis.
ThisarticleintroducesthemicrocontrollerAT89C52RCasthecore,throughthetransformerwillexchangehighACvoltageswitchintolowACvoltage,andwiththeRMSconverterwillexchangeACtoDC,afteramplification,withtheA/Dconverter,movetheinformationacquisitiontomastercontrolmodule.ThevoltagedetectorstaketheA/Dconversiontechnologytomonitorandrecordthepower.Throughthepredefinedvoltagerangecomparison,ifexceedthescope,itwillalarmandrecord.
Thispapermainlyintroducedthesystem'shardwaredesignsolutions,includingmastercontrolmodule,detectionmodule,displaymodule,storagemodule,clockmoduleandpowersupplymodule.Thesoftwaredesignincludingoverrunalarmsubroutine,liquidcrystaldisplaysubroutines,signalprocessingsubroutine,keyboardscanandkeyprocessingsubroutine,themainprogramdesign.
Keywords:
SCMRMSModulusconversionIntelligentcontrol
目录
第一章引言1
第二章总体方案设计2
2.1AT89C52单片机2
2.1.1AT89C52单片机引脚介绍2
2.1.2AT89C52单片机主要性能参数4
2.2RMS转换器4
2.2.1工作原理及管脚功能5
2.2.2典型应用电路6
2.3OP07C放大器7
2.4A/D转换器8
2.4.1TLC2543的控制字的格式10
2.4.2转换过程11
2.5键盘12
2.6报警控制13
2.7液晶显示13
2.7.1芯片资源简介14
2.7.2LCD显示原理15
2.8时钟17
2.9存储19
第三章硬件设计21
3.1时钟电路的设计21
3.2电压信号RMS转换放大电路21
3.3A/D转换电路22
3.4显示电路的设计23
3.6存储电路的设计24
3.6.1读取仪器内部的记录数据24
3.6.2按月统计记录24
3.6.3读取仪器内部数据25
3.7看门狗电路设计26
3.7.1看门狗引脚26
3.7.2X5045功能及操作指令26
3.8稳压电路设计29
第四章控制器软件部分设计31
4.1系统软件的设计31
4.2程序的设计31
4.2.1系统资源的分配31
4.2.2主程序的设计32
4.2.3显示子程序设计33
4.2.存储子程序设计34
4.2.5A/D转换子程序设计35
4.2.6时钟子程序36
4.2.7标度变换程序设计36
4.2.8按键判别程序和按键处理程序设计37
第五章用户使用说明38
5.1控制面板及功能介绍38
5.2系统看干扰设计39
5.2注意问题39
5.3系统评价40
总结40
谢辞42
参考文献43
附录软件程序44
第一章引言
随着社会经济的迅速发展,对电力运行的安全性和可靠性提出了更高的要求。
统计资料表明,电网中经常出现的内部过电压与外部过电压是引发各种事故的首要原因。
过电压出现的时间虽然短暂,但由于其峰值高、波形陡,对电器设备威胁很大。
偶尔一次过电压可能不至于将电器设备即刻损坏,却已使设备绝缘受到不可逆的损害,多次过电压的积累作用使设备的绝缘耐受能力逐步下降,以至于最后一次并不大的电压波动就会将绝缘击穿。
因此,对电网过电压有效地实施监测研究,是保证电气设备安全运行的一项重要工作,对于保证电网安全运行具有十分重要的意义。
传统的电压监测手段要求管理员亲临现场,进行手工抄表,对记录的电压数据进行统计处理。
随着现代电力系统的发展,电压监测点(尤其是用户端也随之增加,监测点分散,范围更大。
倘若仍采用目前的监测手段,需要增加人力定期到各监测点收集监测数据,由此会造成误抄率高、数据失电丢失、故障处理率低等现象,大大影响监测数据的参考价值对电压质量管理十分不利。
过电压监测技术有以下几个关键:
①分压器的线性动态范围和频率响应;②系统的抗干扰技术;③多路同步触发技术;④内外过电压采集矛盾的解决;⑤大容量数据存储技术;⑥过电压分析软件。
单片机是电压检测仪的主体,对于小型仪表来说,单片机内部的存储器已经足够;大型仪表要进行复杂的数据处理,或者要完成复杂的控制功能,其监控程序较大,测量数据较多,这是就需要在单片机外部扩展片外存储器。
被测量的模拟信号经过RMS转换、A/D转换之后,通过输入通道进入单片机内部;单片机根据由键盘置入的各种命令,经过A/D转换后成为能够完成某种控制功能的模拟电压。
力传感器测量压力,并将测量的信号输入放大器,然后送至A/D转换器,A/D转换器将输入的模拟信号转换为数字信号送至单片机。
单片机根据已编制好的程序,对电压非线性测量数据进行处理。
同时该系统兼具有键盘输入,液晶显示与过电压报警功能。
总之,本设计以AT89C52单片机为核心的控制板可实现毕业设计任务书的基本要求,再附加由RMS组成的检测模块、12864液晶显示模块、按键模块、存储模块、报警模块、数据传输模块、时钟模块、电源模块完善整个设计。
第二章总体方案设计
根据设计任务要求,电压监测记录仪主要由十个部分构成,互感器、RMS转换器、放大器、A/D转换器、时钟模块、键盘模块、单片机、报警模块、液晶显示模块、存储模块,框图如下图2-1所示。
图2-1总体框图
这种方案能实现对电压的状态进行实时检测控制,控制灵活、可靠,精度高。
下面介绍各个主要组成部分及采用的方案。
2.1AT89C52单片机
主控模块采用AT89C52单片机,选用该单片机的理由:
降低成本,提升性能,原有程序直接使用,硬件无需改动。
2.2RMS转换器
交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行“平方→求平均值→开平方”的运算而得到的。
真有效值仪表的最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值,而不必考虑被测波形的参数以及失真。
随着集成电路的迅速发展,近年来出现了各种真有效值AC/DC转换器。
美国AD公司的AD736是其中非常典型的一种。
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。
其主要特点是准确度高、灵敏性好(满量程为200mVRMS)、测量速率快、频率特性好(工作频率范围可达0~460kHz)、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低最大的电源工作电流为200µA。
用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±3%。
2.2.1工作原理及管脚功能
AD736的内部框图如图2-2所示。
它主要由输入放大器、全波整流器、有效值单元(又称有效值芯子RMSCORE)、偏置电路、输出放大器等组成。
芯片的2脚为被测信号VIN输入端,工作时,被测信号电压加到输入放大器的同相输入端,而输出电压经全波整流后送到RMS单元并将其转换成代表真有效值的直流电压,然后再通过输出放大器的Vo端输出。
偏置电路的作用是为芯片内部各单元电路提供合适的偏置电压。
图2-2AD736内部框图
图2-3AD736管脚图
其引脚图如图2-3,引脚功能如下:
+Vs:
正电源端,电压范围为2.8~16.5V;
-Vs:
负电源端,电压范围为-3.2~-16.5V;
Cc:
低阻抗输入端,用于外接低阻抗的输入电压(≤200mV),通常被测电压需经耦合电容Cc与此端相连,通常Cc的取值范围为10~20μF.当此端作为输入端时,第2脚VIN应接到COM;
VIN:
高阻抗输入端,适合于接高阻抗输入电压,一般以分压器作为输入级,分压器的总输入电阻可选10MΩ,以减少对被测电压的分流。
该端有两种工作方式可选择:
第一种为输出AC+DC方式。
该方式将1脚(Cc)与8脚(COM)短接,其输出电压为效流真有效值与直流分量之和;第二种方式为AC方式。
该方式是将1脚经隔直电容Cc接至8脚,这种方式的输出电压为真有效值,它不包含直流分量。
COM:
公共端;
VO:
输出端;
CF:
输出端滤波电容,一般取10μF;
CAV:
平均电容。
它是AD736的关键外围元件,用于进行平均值运算。
其大小将直接响应到有效值的测量精度,尤其在低频时更为重要。
多数情况下可选33μF。
2.2.2典型应用电路
AD736有多种应用电路形式。
双电源供电时的典型应用电路应用最为广泛,该电路中的+Vs与COM、-Vs与COM之间均应并联一只0.1μF的电容以便滤掉该电路中的高频干扰。
Cc起隔直作用。
若按图中虚线方向将1脚与8脚短接而使Cc失效,则所选择的就是AC+DC方式;去掉短路线,即为AC方式。
R为限流电阻,D1、D2为双向限幅二极管,超过压保护作用,可选IN4148高速开关二极管。
2.3OP07C放大器
在本设计中,需要测量的RMS转换后送出的微弱信号,采用OP07C放大器来放大信号。
OP07C芯片是一种低噪声,非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。
由于OP07具有非常低的输入失调电压(对于OP07A最大为25μV),所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低(OP07A为±2nA)和开环增益高(对于OP07A为300V/mV)的特点,这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
所以,确定选择OP07C型放大器。
图2-4所示为OP07C放大器的外围引脚图。
其中2、6脚需跨接电阻R1比上2脚与地连的电阻R2的值加1既为放大倍数,第6脚接0.1uf的电容起到滤波的作用。
图2-4AD620引脚示意图
2.4A/D转换器
我选用TLC2543A/D转换器。
它与MAX186在功能上基本相同,但价格比MAX186低得多,因此TLC2543在便携式数据记录仪、医用仪器、电力检测仪表中具有广泛的应用。
它是12位串行模数转换器,使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程,由于是串行输入结构,能够节省51系列单片机I/O资源;且价格适中,分辨率较高,因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
其特点如下所述:
A/D转换器有12位分辨率;在工作温度范围内转换时间为10us;有11个模拟输入通道;采用3路内置自测试方式;有转换结束(EOC)输出;具有单、双极性输出;有可编程的MSB或LSB前导;输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位。
在本系统中采用的输出长度设定为12位。
另外TLC2543与外围电路的连线简单,它有三个控制输入端为CS(片选)、输入/输出时钟(I/OCLOCK)以及串行数据输人端(DATAINPUT);模拟量输入端AIN0~AIN10(1~9脚、11~12脚),11路输入信号由内部多路器选通,对于本系统,选用了AIN0模拟输入端;系统时钟由片内产生并由I/OCLOCK同步;正、负基准电压(REF+,REF-)由外部提供,通常为VCC和地,两者差值决定输人范围。
在本系统中,输入模拟信号为0~5V的模拟量。
由于液晶的工作温度为0°C~+55°C,因此我们选用TLC2543C即可。
Tlc2543管脚如图2-5。
表2-1温度范围
TLC2543C
0°C~70°C
TLC2543I
–40°C~85°C
TLC2543M
–55°C~125°C
图2-5TLC2543引脚图
各引脚功能请见表2-2。
表2-2TLC2543引脚功能
引脚号
名称
I/O
说明
1~9,11,12
AIN0~AIN10
I
模拟量输入端
15
I
片选端
17
DATAINPUT
O
串行数据输入端
16
DATAOUT
O
A/D转换结果的三态串行输出端
19
EOC
I
转换结束端
10
GND
地。
GND是内部电路的地回路端。
18
I/OCLOCK
I
输入/输出时钟端
14
REF+
I
正基准电压端
13
REF-
I
负基准电压端
20
Vcc
电源
可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率,每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。
一个片选(
)脉冲要插到每次转换的开始处,或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低,直到时序结束。
图2-6显示每次转换和数据传递使用12个时钟周期,当输入信号等于或高于REF+时,数字输出为满度;当输入信号等于或低于REF-时,数字输出为零。
图2-6时钟传送时序图(使用
,MSB在前)
2.4.1TLC2543的控制字的格式
控制字为从DATAINPUT端串行输入的8位数据,它规定了TLC2543要转换的模拟量通道、转换后的输出数据长度、输出数据的格式。
其中高4位(D7~D4)决定通道号,对于0通道至10通道,该4位分别为0000~1010H,当为1011~1101时,用于对TLC2543的自检,分别测试(VREF++VREF-)/2、VREF-、VREF+的值,当为1110时,TLC2543进入休眠状态。
低4位决定输出数据长度及格式,其中D3、D2决定输出数据长度,01表示输出数据长度为8位,11表示输出数据长度为16位,其他为12位。
D1决定输出数据是高位先送出,还是低位先送出,为0表示高位先送出。
D0决定输出数据是单极性(二进制)还是双极性(2的补码),若为单极性,该位为0,反之为1。
如表2-3。
表2-3TLC2543控制字格式
功能
控制字
地址
L1
L2
LSBF
BIP
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
AIN0
0
0
0
0
AIN1
0
0
0
1
AIN2
0
0
1
0
AIN3
0
0
1
1
AIN4
0
1
0
0
AIN5
0
1
0
1
AIN6
0
1
1
0
AIN7
0
1
1
1
AIN8
1
0
0
0
AIN9
1
0
0
1
AIN10
1
0
1
0
AIN11
1
0
1
1
(VREF++VREF-)/2
1
1
0
0
VREF+
1
1
0
1
VREF-
1
1
1
0
软件断电模式
1
1
1
1
8bits
0
1
12bits
X
1
16bits
1
1
高位在前
0
地位在前
1
无极性输出
0
有极性输出
1
2.4.2转换过程
上电后,片选CS必须从高到低,才能开始一次工作周期,此时EOC为高,输入数据寄存器被置为0,输出数据寄存器的内容是随机的。
开始时,CS片选为高,I/OCLOCK、DATAINPUT被禁止,DATAOUT呈高阻状,EOC为高。
使CS变低,I/OCLOCK、DATAINPUT使能,DATAOUT脱离高阻状态。
12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,随着时钟信号的加入,控制字从DATAINPUT一位一位地在时钟信号的上升沿时被送入TLC2543(高位先送入),同时上一周期转换的A/D数据,即输出数据寄存器中的数据从DATAOUT一位一位地移出。
TLC2543收到第4个时钟信号后,通道号也已收到,此时TLC2543开始对选定通道的模拟量进行采样,并保持到第12个时钟的下降沿。
在第12个时钟下降沿,EOC变低,开始对本次采样的模拟量进行A/D转换,转换时间约需10μs,转换完成后EOC变高,转换的数据在输出数据寄存器中,待下一个工作周期输出。
此后,可以进行新的工作周期。
2.5键盘
单片机应用系统中除了复位按键有专门的复位电路,以及专一的复位功能外,其4个按键为多功能键,不同界面下具有不同功能。
如果只有一个被测通道,则有关巡回显示、通道切换的操作均无效。
参见表2-4。
通过按键操作,定位显示某一路,如果5分钟无按键操作,会自动返回开机时默认的巡回显示界面。
但如果选择了3通道同时显示界面,则可一直保持下去。
当有音响报警时,按任意键即可暂停音响报警。
如果5分钟无按键操作,则会恢复报警。
表2-4按键功能
按键
界面
ESC
-
+
SET
工作界面
切换:
巡回显示/3路同时显示
切换显示上一个通道,并定位显示
切换显示下一个通道,并定位显示
进入设置界面
菜单列表
返回上一级菜单
选择上一个菜单
选择下一个菜单
进入子菜单
参数显示
返回上一级菜单
选择上一个参数
选择下一个参数
进入参数修改界面
(参数左侧出现闪烁的“=”号)
参数修改
退出参数修改界面
参数减1
(按住后自动快速减1)
参数加1
(按住后自动快速加1)
将修改的参数写入系统,并退出参数修改界面
附注
长按ESC键可直接退出设置界面
薄膜式按键,四个按键分别接到单片机AT89C52的P2口低四位。
见图2-7。
图2-7按键与AT89C52的接口电路
2.6报警控制
若电压在设定的范围内,无指示,若电压超出设定的范围,蜂鸣器发出警报。
此时按任意键即可解除警报。
图2-8报警系统示意图
2.7液晶显示
在设定电压范围初值时,要用到液晶显示其相应的数值,我采用12864(ST7920)来实现显示功能。
12864(ST7920)引脚图如下图2-9所示:
图2-912864(ST7920)引脚图
LCD12864各引脚的功能如表2-4。
引脚号
引脚名称
方向
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS(CS)
H/L
并行的指令/数据选择信号;串行的片选信号
5
R/W(SID)
H/L
并行的读写选择信号;串行的数据口
6
S(CLK)
H/L
并行的使能信号;串行的同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
8
DB1
H/L
数据1
9
DB2
H/L
数据2
10
DB3
H/L
数据3
11
DB4
H/L
数据4
12
DB5
H/L
数据5
13
DB6
H/L
数据6
14
DB7
H/L
数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择:
H-并行;L-串行
16
NC
空脚
17
RST
H/L
复位低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
-
背光源正极(LED+5V)
20
LED_K
-
背光源负极(LED-OV)
表2-412864(ST7920)功能表
2.7.1芯片资源简介
1.ST7920内部固化了8192个16×16点阵的中
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